Биологическое действие излучений высоких энергий

Биологическое действие излучений высоких энергий. Такие сложные молекулы, как белки или нуклеиновые кислоты, в результате облучения подвергаются различным химическим или физико-химическим изменениям. Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты ДНК , представляющие главную составную часть наследственного вещества высших организмов, имеют нитевидную форму в виде двойных спиралей.

При облучении нити ДНК резко скручиваются, образуются водородные мостики между различными нитями ДНК, нарушается спиральное строение молекулы особенно характерно разрушение двойных спиралей ДНК, скручивание или внутримолекулярная полимеризация образование молекулярных сеток, раскрытие двойных спиралей, разветвление и т. п. Молекулярный вес, так же как и радиус спиралей ДНК, изменяется в зависимости от величины дозы облучения, а также в зависимости от мощности дозы излучения.

При облучении водных растворов даже чистых химических веществ могут наблюдаться чрезвычайно сложные процессы. В результате прямого и косвенного действия излучений на различные группы атомов и молекул и в таком простом случае совершенно недопустимо говорить о механизме радиохимического действия. Функции обмена веществ в живом организме являются результатом многих взаимосвязанных реакций. Во многих случаях вещества, участвующие в реакциях, настолько изменяются, что можно говорить об образовании нового вещества, которое находится в организмов состоянии подвижного равновесия.

В результате прямого и косвенного воздействия излучений не только изменяются сами молекулы живого вещества, но в значительной степени меняется также скорость реакций, протекающих с участием ферментов, и наряду с этим нарушается и подвижное равновесие. Указанные явления наблюдаются в живых клетках и тканях. Развитие реакций может при одних и тех же ферментативных процессах происходить в двух возможных направлениях.

Первичные физические, физико-химические и химические эффекты излучений являются основой для понимания их биологического действия. 5.1 Функциональные и морфологические изменения в клетках, возникающие в результате воздействия излучений Первичные физические и химические процессы, развивающиеся в дифференцированных биологических структурах при облучении, в основном сходны с действием излучений на неживое вещество. В настоящее время лишь в немногих случаях удается понять сущность действия излучений во всех его деталях.

В еще большей мере это положение относится к тем последующим процессам, которые вызывают переход первичных лучевых проявлений в видимые биологические эффекты. Поэтому радиобиологи неизбежно вынуждены довольствоваться во многих случаях лишь описанием качественной и количественной стороны этих процессов.

Живые существа на воздействие излучений реагируют различно, причем развитие лучевых реакций во многом зависит от дозы излучений. Поэтому целесообразно различать 1 воздействие малых доз, примерно до 10 рад 2 воздействие средних доз, обычно применяемых с терапевтическими целями, которые граничат своим верхним пределом с воздействием высоких доз. При воздействии излучении различают реакции, возникающие немедленно, ранние реакции, а также поздние отдаленные проявления. Конечный результат облучения часто во многом зависит от мощности дозы, различных условий облучения и особенно от природы излучений.

Это относится также к области применения излучений в клинической практике с лечебными целями. На основе изучения радиобиологических реакций простейших организмов можно более глубоко понять все те сложные взаимоотношения, которые возникают в организме человека в результате облучения. Особый интерес в этом отношении представляют лучевые реакции, развивающиеся в одноклеточных организмах. Однако следует иметь в виду, что при изучении одноклеточных организмов исключаются те сложные взаимоотношения, которые обусловлены нервной регуляцией между отдельными органами и системами.

Для количественной оценки действия разных видов излучений практическое значение имеет понятие об относительной биологической эффективности ОБЭ . Одно из определений ОБЭ, которое более целесообразно применять в этом разделе, заключается в следующем под относительной биологической эффективностью одного вида излучений к другому понимают соотношение величины дозы второго вида излучений к первому, которые необходимы для получения одинакового биологического действия.

Согласно другому определению, под ОБЭ понимают соотношение радиационных эффектов измеренных в определенных единицах, которые возникают в организме в результате воздействия одинаковых доз излучений первого и второго вида. В результате облучения могут наблюдаться следующие основные виды клеточных реакций угнетение деления, разные типы хромосомных аберраций и различные летальные эффекты.

Угнетение клеточного деления относится к функциональным неспецифическим клеточным нарушениям, носит временный, обратимый характер и может наблюдаться как у одноклеточных организмов, так и у клеток, составляющих ткани высших организмов. Как правило, угнетение клеточного деления является результатом воздействия малых доз излучения. При воздействии больших доз клеточное деление полностью прекращается и приводит к бесплодию.

В результате облучения очень большого количества однотипных клеток установлено, что при воздействии разных видов излучений длительность обратимого угнетения клеточного деления и процент клеток, у которых деление полностью прекратилось, возрастают по мере увеличения дозы излучения. С увеличением дозы излучений все большее число клеток теряет способность к размножению или по крайней мере у них временно прекращается процесс деления. Одним из показателей нарушения этой способности клеток к размножению как у одноклеточных, так и у клеток тканей высших организмов является возникновение гигантских форм клеток.

Функции обмена веществ у клеток всей популяции, которые полностью стали стерильными, вначале могут быть в значительной степени сохранены. Такие клетки во многих отношениях еще не отличаются от необлученных. Например, облученные бактериофаги фагоцитируют бактерий, как и обычно следовательно, бактериофаги в таких случаях могут служить еще нормальным хозяином. Лишь при очень высоких дозах облучения, порядка 10 5-10 6 рад, в результате внезапно наступающих тяжелых нарушений обмена наступает быстрая гибель как одноклеточных организмов, так и клеток высших организмов.

Некоторые радиационно-биохимические изменения появляются уже после воздействия относительно малых доз, другие изменения наступают лишь в результате воздействия средних или высоких доз излучений. Среди нарушений обмена веществ, возникающих при воздействии ионизирующих излучений, на первое место следует поставить нарушение самого радиочувствительного субстрата-нуклеиновых кислот.

Лучевые поражения в виде угнетения синтеза нуклеиновых кислот нельзя рассматривать как непосредственную причину угнетения клеточного деления или разрыва хромосом, которые могут привести к их грубым морфологическим нарушениям, определяемым при митозах после облучения. Нарушения других видов обмена, например углеводного, дают право говорить об его очень низкой радио чувствительности. Изменения углеводного обмена после облучения, в частности угнетение анаэробного гликолиза, становятся заметными, как правило, лишь после воздействия в дозах порядка 5000-20000 р. нарушение клеточного дыхания обычно наблюдается в результате воздействия еще больших доз-от 20000 до 10 р. Цитостатический эффект облучения относится к функциональным лучевым реакциям он зависит от природы излучений, следовательно, от линейной потери энергии ЛПЭ . В прямой зависимости от величины ЛПЭ находится изменение относительной биологической эффективности.

Эти соотношения, очевидно, можно связать с эффектом насыщения, который наблюдается при радиохимических реакциях.

При прямом действии обычных рентгеновых лучей, а в определенных случаях и при косвенном, отмечается аналогичное уменьшение выхода некоторых радиохимических реакций по сравнению с воздействием таких видов ионизирующих излучений, как нейтроны, или а-частицы, характеризующиеся высокой плотностью ионизации. В противоположность этому при воздействии излучения с очень низкой величиной ЛПЭ у-излучение, быстрые электроны нередко проявляется другой феномен появляется зависимость относительной биологической эффективности от величины дозы излучения.

Это имеет место также при действии одной частицы, проходящей через радиочувствительные структуры, при сравнении с эффектом многих частиц, производящих меньшую плотность ионизации аккумуляция попаданий. Таким образом, при определенных значениях ЛПЭ обнаруживается менее выраженная зависимость максимума цитостатического эффекта от величины дозы излучений Gray и др При воздействии малых доз излучении наблюдается угнетение клеточного деления.

При больших дозах клетки окончательно теряют способность к размножению. Временное угнетение митозов и полная стерильность не могут быть обусловлены единым механизмом, несмотря на то, что оба эти явления на первый взгляд могут показаться вполне родственными. Величины ОБЭ могут резко отличаться даже по отношению к одним и тем же биологическим объектам, если биологическую эффективность рассматривать по отношению к различным лучевым реакциям.

Относительная биологическая эффективность меняется от объекта к объекту и в некоторых случаях, например при воздействии на определенные виды клеток в культурах тканей, при малой ЛПЭ существенно зависит от мощности дозы. От качества излучений, кроме функциональных изменений, зависят также определенные виды лучевых хромосомных аберраций. В клеточных популяциях с митотическим делением клеток после облучения сначала отмечается кратковременное увеличение частоты митозов, а затем падение до определенной минимальной величины.

Alberti и Politzer назвали такое явление первичным эффектом излучений. Вслед за этим число делящихся клеток снова увеличивается при условии, что величина дозы излучений была не очень велика и не все клетки потеряли способность к размножению. Минимальное число митозов и время их появления зависят от величины дозы излучений. В случае облучения, раковых клеток, когда применяются обычные для лучевой терапии дозы, минимальное число митозов большей частью наблюдается через несколько часов Затем следует медленное повышение их числа, что определяется как вторичный эффект излучений. Для первичного и вторичного эффекта излучений характерны определенные типы хромосомных изменений.

При первичном эффекте в клетках, еще сохраняющих митотическую активность, обнаруживаются преимущественно следующие типы хромосомных изменений пикноз ядра, псевдоамитозы и склеивание хромосом, а также агглютинация хроматина.

В противоположность этому при вторичном эффекте наблюдаются главным образом структурные изменения хромосом. Хромосомные аберрации вторичного эффекта морфологически проявляются в клетках преимущественно в виде образования фрагментов и хромосомных мостиков. Механизм хромосомных изменений при первичном и вторичном эффекте различен. Хромосомные изменения, типичные для первичного эффекта, возникают главным образом в тех клетках, которые во время облучения имели митотическую активность и находились в стадии метафаза. У определенного числа этих клеток наблюдаются митозы, частота которых снижается в результате облучения.

У других митотически делящихся клеток, достигших или прошедших стадию метафазы, митозы продолжаются, но в более замедленном темпе. 6.